CN103139894A - 无线通信装置和无线通信方法 - Google Patents

Abstract

无线通信装置和无线通信方法。一种无线通信装置包括：估算部，该估算部对目的地节点与节点之间的位置关系进行估算；第一确定部，如果估算出所述节点位于第一区域内，则所述第一确定部设置大于或等于最小功率的电功率作为第一发送功率，所述最小功率是由距所述第一区域中的所述节点最远的节点检测到的；第二确定部，如果估算出所述节点位于除所述第一区域之外的区域，则所述第二确定部设置小于最小功率的电功率作为第二发送功率，所述最小功率是由所述目的地节点检测到的；以及发送部，该发送部以所述第一发送功率或所述第二发送功率将数据发送至所述目的地节点。

Description

无线通信装置和无线通信方法

技术领域

在此讨论的实施方式涉及无线通信装置和无线通信方法。

背景技术

在多跳无线通信系统中，节点经由多个中继节点耦接到目的地节点。在所述多跳无线通信系统中，单个节点利用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）系统来自主地执行通信。

国际专利申请2009-533976号的日本国家公报、日本特开2010-161516号公报以及日本特开2011-055394公报中公开了现有技术。

然而，现有技术具有低网络吞吐量的问题，该低网络吞吐量是由于因在数据发送之前执行大量处理而引起的巨大开销所导致的。

发明内容

根据本实施方式的一方面，一种无线通信装置包括：估算部，该估算部对目的地节点与节点之间的位置关系进行估算；第一确定部，如果估算出所述节点位于第一区域内，则所述第一确定部设置大于或等于最小功率的电功率作为第一发送功率，所述最小功率是由与所述第一区域中的所述节点距离最大的节点检测到的；第二确定部，如果估算出所述节点位于除所述第一区域之外的区域内，则所述第二确定部设置小于最小功率的电功率作为第二发送功率，所述最小功率是由所述目的地节点检测到的；以及发送部，该发送部以所述第一发送功率或所述第二发送功率将数据发送至所述目的地节点。

利用权利要求中具体指出的元件和组合，将实现并获得本发明的目的和优点。

应当理解的是，以上总体描述和以下具体描述都是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。

根据实施方式，减少了数据冲突并且减少了所述网络吞吐量的降低。

附图说明

图1例示出示例性无线通信系统；

图2例示出示例性节点；

图3例示出示例性节点；

图4例示出示例性区域确定；

图5例示出节点的示例性处理；以及

图6例示出模拟的示例性结果。

具体实施方式

在CSMA/CA中，单个节点在通信之前执行载波侦听以监测接收信号强度指示（RSSI）。如果检测到低于或等于特定值的RSSI，则所述节点确定其它节点没有发送信号并且执行数据发送。

数据冲突可能发生在发送节点与位于能够与目的地节点直接通信的范围中且未利用载波侦听检测所述发送节点的发送的其它节点之间。例如，数据冲突可能发生在发送节点与来自所述发送节点的接收功率低于或等于阈值的节点之间（下文中称为隐终端）。

为了减少所述隐终端的数据冲突，所述发送节点利用至目标传输区域的信号发送，进行所述发送节点处于数据发送模式的通知。此外，在所述发送节点利用请求发送（RTS）/允许发送（CTS）信号向所述目的地节点发送发送请求，并确认所述目的地节点处于可接收模式之后，执行数据发送。

图1例示出示例性无线通信系统。所述无线通信系统包括节点A至I和网关（GW）单元。节点A至I可与无线通信装置相对应。

图1中例示的节点A至I构成自动确定信道信息的自组织网络。单个节点A至I利用诸如HELLO消息的控制分组与在一跳中耦接的节点（例如，相邻节点）交换它们的信道信息。单个节点A至I利用所交换的信道信息来确定至所述GW单元的信道。

节点A至I与瓦特计或传感器耦接并且将传感器数值发送至所述GW单元。所述GW单元可与耦接至控制单元的无线通信装置相对应，所述控制单元用于收集来自节点A至I的传感器数值。所述传感器数值可包括电功率、温度、湿度以及加速度。

在图1中例示的无线通信系统中，节点A、E、F以及G可以是存在于所述GW单元能够直接通信的区域中的节点，以能够在一跳中将数据直接发送至所述GW单元。节点B和D可以是经由节点A将数据发送至所述GW单元的多跳节点。节点C可以是经由节点B和A将数据发送至所述GW单元的多跳节点。节点H可以是经由节点G将数据发送至所述GW单元的多跳节点。节点I和J可以是经由节点F将数据发送至所述GW单元的多跳节点。

节点A至I利用所述CSMA/CA系统自主地执行通信。例如，所述节点A至I在数据发送之前单独地执行载波侦听，以测量所述载波频率的接收功率水平。如果所测量的接收功率水平小于或等于阈值，则节点A至I确定所述信道空闲并且执行数据发送。如果所测量的接收功率水平大于所述阈值，则节点A至I确定所述信道繁忙，取消所述数据发送，并且在经过特定时间之后执行载波侦听。

节点A至I可以是构成多跳无线网络的节点。各个本地节点对作为数据的目的地的目的地节点与其自身之间的位置关系进行估算。如果估算出各个本地节点位于在所述目的地节点能够直接通信的最大距离内的第一区域中，则各个本地节点确定大于或等于所述第一区域中的其它节点能够检测到的最小功率的电功率作为发送功率。如果估算出各个本地节点在除所述第一区域之外的区域中，则各个本地节点确定小于所述目的地节点能够检测为发送功率的最小功率的电功率作为发送功率。所述节点以所确定的发送功率来将数据发送至所述目的地节点。

所述无线通信系统中的所述节点确定是直接与所述目的地GW单元进行通信，还是经由多跳中继进行通信。与所述GW单元直接通信的所述节点控制所述发送功率，使得其它节点能够执行载波侦听。经由多跳中继与所述GW单元进行通信的所述节点控制所述发送功率，以便不干扰与所述GW单元直接通信的所述节点的通信。因此，可减少数据冲突并且可减少所述网络吞吐量的降低。

图2例示出示例性节点。图2中例示的节点可与图1中的无线通信系统的所述节点相对应。图2例示出所述节点的硬件结构。图1中的所述节点可具有基本相同或近似的结构。

节点10包括发送和接收天线10a、放大器10b、振荡器10c、模数转换器10d、存储器10e、处理器10f、数模转换器10g以及放大器10h。

所述发送和接收天线10a可以是以无线电波的形式向目的地发送作为数据的信号并以无线电波形式接收作为数据的信号的硬件。放大器10b放大由发送和接收天线10a接收的信号。振荡器10c产生连续波交流信号。利用来自振荡器10c的输出，将所接收到的信号转换为基带信号。

模数转换器10d将由放大器10b放大的模拟信号转换为数字信号。存储器10e存储预定阈值等。处理器10f管理节点10的全部处理，并且利用从模数转换器10d输出的所述信号来计算发送功率。

数模转换器10g将从处理器10f输出的信号转换为模拟信号。放大器10h将由数模转换器10g转换的模拟信号放大至从处理器10f发送来的发送功率。天线10a向所述目的地发送由放大器10h放大的信号。

图3例示出示例性节点。图3中的节点10可与图1中的无线通信系统的所述节点相对应。图3指示节点10的功能框图。节点10包括接收部11、发送部12、信号解调部13、位置估算部14、本地节点区域确定部15、第一功率控制部16、第二功率控制部17、第三功率控制部18以及发送数据生成部19。

接收部11和发送部12可与图2中的天线10a、发送和接收天线10a、放大器10b、振荡器10c、模数转换器10d、数模转换器10g以及放大器10h相对应。信号解调部13、位置估算部14、本地节点区域确定部15、第一功率控制部16、第二功率控制部17、第三功率控制部18以及发送数据生成部19可由处理器10f来执行。

接收部11接收数据，放大所述数据并将所述数据转换为数字信号，产生连续波交流信号并将其转换为基带信号。发送部12将从功率控制部16至18发送来的信号转换为模拟信号，将所述信号放大为从所述功率控制部发送来的发送功率，并且向所述目的地发送所述信号。信号解调部13对从接收部11输出的所述数字信号进行解调以提取所接收到的数据。

位置估算部14可与构成所述多跳无线网络的节点相对应，并且用于对作为所述数据的目的地的所述目的地节点与所述节点之间的位置关系进行估算。例如，当从作为所述目的地节点的所述GW单元接收已知信号时，所述节点的位置估算部14基于接收功率来估算所述GW单元与所述节点之间的位置关系。所述已知信号的示例包括诸如HELLO消息的控制信号。

当距离所述GW单元r（m）的终端接收到以发送功率P（dB）从所述GW单元发送来的已知信号时，信号功率P_r表示为表达式1：

P_r=P^-1+G_t+G_r–Path_loss(r,h_t,h_r,f)    (1)

G_r(dB)表示所述接收终端的接收天线的增益，G_t(dB)表示所述发送终端的发送天线的增益，h_t(m)表示所述发送终端的天线高度，h_r(m)表示所述接收终端的天线高度，f(Hz)表示载波频率，并且(x,h_t,h_r,f)表示所述发送器与所述接收器之间的具有距离x(m)、发送天线高度h_t、接收天线高度h_r以及载波频率f的传输路径(dB)。例如，Path_loss(x,h_t,h_r,f)表示衰减。因此，所述节点的位置估算部14利用表达式2，根据基于所述目的地节点发送的所述已知信号的所述接收功率P_r来估算所述目的地节点与所述节点之间的距离r(m)。

r=Path_loss^-1(P+G_t+G_r-P_r,h_t,h_r,f)    (2)

图3中的所述节点的本地节点区域确定部15基于由位置估算部14估算的所述距离来确定所述节点所在的区域。例如，本地节点区域确定部15确定所述本地节点与一跳区域、强制多跳区域以及多跳区域中的哪一个区域相对应。所述一跳区域表示能够在一跳内将数据发送至所述GW单元的区域。所述强制多跳区域表示能够在一跳内将数据发送至所述GW单元，但是强制经由多跳中继发送所述数据的区域。所述多跳区域表示经由多跳中继将数据发送至所述GW单元的区域。

图4例示出示例性区域确定。所述一跳区域表示作为目的地节点的GW单元1能够直接通信的最大距离R(m)的一半(R/2)范围内的区域2。所述强制多跳区域表示距离R(m)的范围内除区域2之外的区域3。所述多跳区域表示比距离R(m)远的区域4。所述区域之间的边界可自由设置。

当P_max(dB)是所述发送终端的所述最大发送功率，h_AN(m)是所述发送终端的天线高度，并且P_cs(dB)是所述接收终端能够检测到信号的所述最小功率时，最大距离R可表示为表达式3：

R=Path_loss^-1(P_max+G_t+G_r-P_cs,h_AN,h_AN,f)    (3)

例如，如果利用表达式2计算的距离r是利用表达式3计算的R的一半（R/2）或小于R的一半（R/2），则所述节点的本地节点区域确定部15确定所述节点位于所述一跳区域中并且将发送指令输出至第一功率控制部16。如果利用表达式2计算的距离r小于或等于利用表达式3计算的R并且大于R的一半（R/2），则所述节点的本地节点区域确定部15确定所述节点位于所述强制多跳区域中并且将发送指令输出至第二功率控制部17。如果利用表达式2计算的距离r大于利用表达式3计算的R，则所述节点的本地节点区域确定部15确定所述节点位于所述多跳区域中并且将发送指令输出至第三功率控制部18。

如果估算出所述节点位于在所述目的地节点能够直接通信的所述最大距离之内的所述一跳区域中，则图3中例示的所述节点的第一功率控制部16控制所述发送功率，使得所述发送功率成为位于所述一跳区域中的所述其它节点能够检测到的所述最小功率或大于所述最小功率。例如，如图4中所例示的，当所述节点位于与所述GW单元1距离d1(m)处的所述一跳区域中时，第一功率控制部16控制所述发送功率，使得所述数据能够到达与所述GW单元1距离R/2(m)处的节点。因此，所述节点的第一功率控制部16控制发送功率P_t(dB)，使得所述发送功率成为能够检测到位于与所述节点距离d+R/2(m)处的所述节点的所述接收功率的最小功率P_cs。满足上述条件的发送功率P_t(dB)表示为表达式4：

P_t=P_cs-G_t-G_r+Path_loss(d₁+R/2,h_AN,h_AN,f)    (4)

位于与GW单元1距离R/2(m)处的所述节点和位于与GW单元1距离d1(m)处的所述节点可通过相互载波侦听检测到。

当所述节点位于所述强制多跳区域中时，所述节点的第二功率控制部17控制所述发送功率，使得数据能够经由位于所述一跳区域中的节点到达所述目的地节点。例如，如果所述节点位于图4中的区域3的所述强制多跳区域中，则所述节点的第二功率控制部17控制所述发送功率，使得由所述节点发送的所述信号以P_rx-P₁的发送功率到达GW单元1。P_rx表示GW单元1能够检测到的所述最小接收功率。P₁表示大于0的预定常数。所述最小接收功率指的是当所述本地节点转变为接收模式时用作阈值的电功率。当d₂(m)是所述本地节点与GW单元1之间的距离，并且h_GW(m)是GW单元1的天线高度时，第二功率控制部17确定的发送功率P_t(dB)表示为表达式5：

P_t=P_rx-P₁-G_t-G_r+Path_loss(d₂,h_AN,h_GW,f)    (5)

即使不能将数据直接发送至GW单元1，位于作为所述强制多跳区域的区域3中的所述节点不将所述数据发送至所述GW单元1，除非所述节点将数据发送至位于作为所述一跳区域的区域1中的节点。如果所述节点与GW单元1之间的距离是d₂(m)，则所述节点与所述一跳区域之间的距离可以是d-R/2(m)。因此，所述节点的第二功率控制部17控制发送功率P_t(dB)以便满足表达式6，使得由位于作为所述强制多跳区域的区域3中的所述节点发送的数据不到达目的地GW单元1，而是到达所述一跳区域中的所述节点。

0≤P₁<Path_loss(d₁,h_AN,h_GW,f)-Path_loss(d₂-R/2,h_AN,h_AN,f)    (6)

当所述节点位于所述多跳区域中时，所述节点的第三功率控制部18控制所述发送功率，使得数据能够经由所述一跳区域或所述强制多跳区域中的多个节点到达所述目的地节点。例如，当所述节点位于图4中的区域4的所述多跳区域中时，所述节点的第三功率控制部18控制所述发送功率，使得所述发送功率成为小于所述目的地GW单元1的最小接收功率P_rx(dB)的电功率。当P_max(dB)是区域4中的所述节点的最大发送功率，并且P₂是大于0的预定常数时，第三功率控制部18控制发送功率P_t(dB)以便满足表达式7：

P_t=P_max-P₂    (7)

发送数据生成部19产生发送数据。例如，发送数据生成部19产生包括由耦接至节点10的内部或外部的传感器获得的传感器数值的分组。发送数据生成部19产生包括由耦接至节点10的瓦特计等获得的数值的分组。

发送部12以从第一功率控制部16、第二功率控制部17或第三功率控制部18输入的发送功率将由发送数据生成部19产生的所述数据发送至所述目的地。

图5例示出节点的示例性处理。图5中的节点可与图1中的无线通信系统的节点相对应。节点10的位置估算部14基于接收部11已从所述目的地节点接收到的所述已知信号的所述接收功率来估算节点10与所述目的地节点之间的距离d（S101）。

本地节点区域确定部15利用在S101中估算的距离d和所述目的地节点能够与节电10直接通信的最大距离R，来确定节点10所处的区域（S102）。

如果本地节点区域确定部15确定节点10所处的区域是所述一跳区域（S103：是），则第一功率控制部16利用表达式4来确定发送功率P_t（S104）。

如果确定节点10所处的区域不是所述一跳区域（S103：否），则本地节点区域确定部15确定节点10所处的所述区域是否是所述强制多跳区域（S105）。

如果本地节点区域确定部15确定节点10所处的区域是所述强制多跳区域（S105：是)，则第二功率控制部17利用表达式5来确定发送功率P_t（S106）。此时，第二功率控制部17确定发送功率P_t以便满足表达式6。

如果本地节点区域确定部15确定节点10所处的区域不是所述强制多跳区域（S105：否)，则第三功率控制部18利用表达式7来确定发送功率P_t（S107）。

发送部12执行载波侦听，并且在确定信道空闲之后，以在S104、S106或S107中确定的发送功率来发送由发送数据生成部19产生的数据。

图6例示出模拟的示例性结果。图6例示出与耦接至图4中例示的节点1（GW单元）的节点数量相对地绘制的数据收集成功率。

例如，所述节点的天线高度（h_t）可以是2m，GW单元1的天线高度（h_r）可以是2m，所述节点可随机地位于4000m*4000m的正方形中，并且GW单元1可位于所述区域的中心附近。常数P₁可设置为P₁=5，并且常数P₂可设置为P₂=0。所述节点的发送分组大小可以是1566字节，物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）的规范可遵循IEEE802.11b，并且所述数据速率可以是1Mbps。

假定视线（LOS）环境，针对传播特性设置表达式8至10。

$\mathrm{path}\_\mathrm{loss}(d,h_t,h_r,f)=20{\log }_{10}\frac{4\mathrm{\&pi;rD}(d,h_t,h_r)}{c}f\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

$D(d,h_t,h_r,f)=\left\{\begin{array}{cc}1(\mathrm{ifd}\&le;r_{\mathrm{bp}})& \\ \frac{d}{r_{\mathrm{bp}}(h_t,h_r,f)}& \left(\mathrm{otherwise}\right)\end{array}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(9\right)\right.$

$r_{\mathrm{bp}}(h_t,h_r,f)=\frac{4\mathrm{\&pi;}{h}_r{h}_t}{c}f\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(10\right)$

其中，d(m)是所述发送器与所述接收器之间的距离，并且c(m/s)是光速。

如图6中所例示的，针对95%的数据收集成功率，当未执行发送功率控制时通信节点的数量为大约380，并且当执行发送功率控制时通信节点的数量为大约880。发送功率控制可将每一个GW单元1的通信节点的数量增加至大约2.3倍。

单个节点根据与所述目的地节点的距离来控制所述发送功率。例如，位于一跳区域中的节点执行载波侦听，以按照相同的一跳区域中的其它节点能够检测到的最小发送功率来发送数据。位于所述强制多跳区域中的节点以处于所述数据发送不与由所述一跳区域中的节点进行的数据发送相冲突的范围内的功率量来发送数据。所述多跳区域中的节点以处于数据能够经由多跳中继到达所述目的地节点的所述范围内的电功率来执行数据发送。因此，与所述节点以所述最大功率来发送数据的情况比较，所述节点以根据其位置的电功率量来发送数据，使得减少数据冲突。由于所述节点在固定到瓦特计等的位置处测量与GW单元1等的距离，所以可减少在数据发送之前执行的处理的数量。因此，可减少所述网络的吞吐量的降低。

所述目的地节点可以是GW单元1或任意节点。

例如，如果单个节点的所述最小接收功率等是已知值，则可将所述一跳区域中的所述节点的所述发送功率等设置为所述值。所述第一区域可以在与GW单元1距离d的范围内，或者在小于GW单元1的所述最大通信距离的距离处。

所述节点与所述目的地节点之间的距离可基于从所述目的地节点接收信号时的功率强度来进行估算。例如，所述节点可基于所述目的地节点的所述位置信息来估算所述节点与所述目的地节点之间的距离。例如，所述节点利用诸如HELLO消息的已知信号从所述目的地节点请求位置信息。所述目的地节点利用全球定位系统（GPS）获得其坐标等，并且将包括表明其位置的所述坐标的诸如HELLO消息的所述已知信号发送至所述请求节点。所述节点可利用所获得的位置信息和所述节点的所述位置信息来估算本地节点与所述目的地节点之间的距离。

将所述目的地节点能够直接通信的所述最大通信距离的一半处的区域设置为所述一跳区域。例如，可以设置在小于所述最大通信距离的距离（例如，所述最大通信距离的三分之一）之内的任何一跳区域。例如，可将在与所述目的地节点距离最大通信距离（R）的三分之一（R/3）内的区域设置为所述一跳区域，可将从最大通信距离（R）的三分之一距离（R/3）到R的区域设置为所述强制多跳区域，并且将大于或等于最大通信距离（R）的区域设置为所述多跳区域。

可自动执行前述处理，或者可手动执行全部或者部分处理。所述处理过程、控制过程、名称以及包括各项数据和参数的信息可自由改变。

例示的所述装置的部件可以是功能性概念或物理性概念。基于所述负载、操作模式等，所述部件在功能上或物理上可以是分布式或集成式的。例如，所述功率控制部可集成为单个功率控制单元。由所述部件执行的全部或者部分处理可由CPU、由CPU实施的程序或由使用布线逻辑的硬件中的任一个来执行。

这里引用的所有示例和条件语言目的都是用于教学目的，以辅助读者理解发明人做出的发明和概念，从而促进本技术，并且所有示例和这里引用的条件语言都是要解释为并不限于这种具体引用的示例和条件，并且说明书中的这种示例的组织也不涉及对本发明的优劣的展示。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、代替和变更。

Claims (9)

1.一种无线通信装置，该无线通信装置包括：

估算部，该估算部对目的地节点与节点之间的位置关系进行估算；

第一确定部，如果估算出所述节点位于第一区域内，则所述第一确定部设置大于或等于最小功率的电功率作为第一发送功率，该最小功率是由所述第一区域中的距所述节点最远的节点检测到的；

第二确定部，如果估算出所述节点位于所述第一区域之外的区域，则所述第二确定部设置小于最小功率的电功率作为第二发送功率，该最小功率是由所述目的地节点检测到的；以及

发送部，该发送部以所述第一发送功率或所述第二发送功率将数据发送至所述目的地节点。

2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述目的地节点和所述节点构成多跳无线网络。

3.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述第一区域在所述节点与所述目的地节点彼此直接通信的最大距离之内。

4.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述估算部基于从所述目的地节点接收数据时的功率强度或从所述目的地节点获得的位置信息，来估算所述目的地节点与所述节点之间的所述位置关系。

5.根据权利要求3所述的无线通信装置，其中，如果所述节点位于从所述最大距离到所述第一区域的范围内，则所述第二确定部将所述发送功率设置为所述第一发送功率。

6.根据权利要求3所述的无线通信装置，其中，如果所述节点位于所述最大距离或更远的区域内，则所述第二确定部将所述发送功率设置为所述第二发送功率。

7.一种无线通信方法，该无线通信方法包括以下步骤：

由计算机估算构成多跳无线网络的目的地节点与所述计算机之间的位置关系；

如果估算出所述计算机位于第一区域中，则设置大于或等于最小功率的电功率作为第一发送功率，该最小功率是由所述第一区域中的距所述计算机最远的节点检测到的；

如果估算出所述计算机位于所述第一区域之外的区域中，则设置小于最小功率的电功率作为第二发送功率，该最小功率是由所述目的地节点检测到的；以及

以所述第一发送功率或所述第二发送功率将数据发送至所述目的地节点。

8.根据权利要求7所述的无线通信方法，其中，所述目的地节点和所述计算机构成多跳无线网络。

9.根据权利要求7所述的无线通信方法，其中，所述第一区域在所述计算机与所述目的地节点彼此直接通信的最大距离之内。

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